Термометр и шкала Цельсия

До 1597 г., когда Галилей изобрёл термоскоп — первый прибор, показывающий изменение температуры, — температуру тел определяли только на ощупь. В 1723 г. Фаренгейт сделал точный прибор для измерения температуры — ртутный термометр, а в 1742 г. были приняты современные единицы измерения температуры — градусы Цельсия.

Термоскоп Галилея

Термоскоп — первый прибор, отслеживающий изменения температуры, — придумал Галилей, почерпнув у Герона Александрийского идею выдавливания воды нагретым воздухом. Прибор Галилея представлял собой стеклянный шарик с трубкой, опущенной в открытый сосуд с водой. Когда шарик нагревали, воздух в нём расширялся и вытеснял воду из трубки, а остывая, сжимался, и вода втягивалась в трубку. По уровню воды в трубке сравнивали температуры разных тел, приложенных к шарику. Но прибор Галилея был неточен — он не учитывал воздействие атмосферного давления на воду в открытом сосуде.

Чем измерить

В термоскопе Галилея не было делений, и им нельзя было измерить температуру. В 1657 г. флорентийские учёные снабдили термоскоп шкалой из бисера и мерили температуру количеством бисеринок, на высоту которых по трубке поднималась вода. Прибор стал измерительным и получил название воздушного термометра (therme — тепло и metreo — измеряю). Но бисеринки не могли быть точными единицами измерения, а сам прибор был негоден для измерения низких температур — вода в нём замерзала и разрывала стекло.

Как измерить

Для создания измерительной шкалы нужно было выбрать точки отсчёта — крайние показатели, между которыми можно сделать определённое количество делений, обозначающих единицы измерения. Производители первых термометров брали разные точки отсчёта, и единой системы измерения температуры не было.

В 1723 г. немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт заменил спирт в термометре ртутью и предложил свою шкалу измерения температуры. За нижнюю точку отсчёта он взял самое холодное из того, что было под рукой — смесь снега с солью — и обозначил поднятие ртути при измерении её температуры как 0.

Верхней точкой, обозначенной как 100, он взял температуру человека, своей жены (его жена тогда болела, и её температура оказалась на 2,1 °F выше нормальной). Расстояние на трубке термометра между этими крайними точками Фаренгейт разделил на 100 равных частей и получил шкалу с делениями по 1 °F (градусу Фаренгейта). Система Фаренгейта используется в некоторых странах и по сей день, но распространение и применение в науке получила шкала 1742 г. шведского учёного Андерса Цельсия. Он принял за постоянные точки температуру таяния льда и кипения воды (при нормальном атмосферном давлении), обозначив их как 0 °С и +100 °С. Каждое из 100 делений шкалы Цельсия обозначает 1 °С (градус Цельсия).

Развитие идеи

Источник

Понятие температуры, история изобретения и виды термометров, термоскоп Галилея

Понятие температуры вводится для характеристики различной степени нагретости тел. Представление о температуре, как и представление о силе, вошло в науку через посредство наших чувственных восприятий. Наши ощущения позволяют различать качественные градации нагретости: теплый, холодный, горячий и пр.

Все испытывали неприятное ощущение холода при медленном вхождении в холодную воду во время купания, быстро исчезающее и сменяющееся чувством бодрости и удовольствия после того, как в результате полного погружения в воду тело купающегося немного охладится. Чувственная оценка температуры сильно зависит от теплопроводности тела.

Чувственная оценка температуры применима только в весьма узком температурном интервале. Она не годится в случае очень горячих и очень холодных тел. Ничего хорошего не получится при попытке определить на ощупь степень нагретости расплавленного железа или жидкого воздуха.

Температура – это мера относительного нагрева тела по сравнению с другими телами. Мы неосознанно делаем сравнения с температурой нашего тела, или с температурой воздуха, или с точками кипения или замерзания воды.

Первый термометр

Нет более красивого способа измерить температуру, чем термометр Галилея. Хотя это не самый точный прибор, он, безусловно, один из самых привлекательных. Этот прибор основан на термоскопе, изобретенном Галилео Галилеем.

В отличие от обычного стеклянного ртутного термометра, который представляет собой узкую колбу, сделанную из ртути, которая расширяется и сжимается, термометр Галилея намного сложнее.

Он состоит из нескольких стеклянных сфер, каждая из которых заполнена цветной жидкой смесью, которая часто содержит спирт, но может быть даже просто водой с добавлением пищевого красителя. Эти плавающие шары тонут или плавают в окружающей воде.

Ассортимент термометров (термоскопов) Галилея различных размеров, чем больше размер, тем точнее инструмент

Современная наука считает Галилео Галилея основоположником термодинамики, а также первым человеком, изобретшим термометр. Непосредственно, в его сочинениях нет ни одного упоминания о технологии создания термометра, но ученики Галилея, Нелли и Вивиани, подтвердили то, что в 1597 году Галилей создал прибор, подобный термобароскопу (термоскопу).

Целью Галилея было придумать такое устройство, которое позволяло бы измерять степени тепла. Во время создания он вдохновился идеями Герона Александрийского, который в своих работах описал похожую технологию для поднятия уровня воды путем нагрева. В те времена термоскопом называлась следующая конструкция: маленький шарик из стекла, припаянный к стеклянной трубке.

Принцип его действия достаточно прост. Сначала шарик нагревали на несколько градусов, а конец трубки погружали в емкость, наполненную водой. По истечении некоторого времени, давление в шарике уменьшалось, а вода в трубке меняла свою высоту из-за атмосферного давления. Затем, когда температура повышалась, давление в шарике вырастало, а уровень воды в трубке уменьшался.

У созданного термоскопа было несколько отрицательных сторон:

1. Во-первых, он не позволял измерить точную температуру, так как на приборе не имелось никаких шкал.

2. Во-вторых, нужно было учитывать атмосферное давление, которое действовало на уровень воды в трубке, и только 60 лет спустя, в небольшом итальянском городке Флоренции, который славится выдающимися личностями, ученые смогли модернизировать термоскоп.

Из бусинок изготовили шкалу, способную показывать температуру, и создали в шарике и трубке безвоздушное пространство, путем простой откачки воздуха. Такие новшества позволили измерить разность температур различных тел.

На этом усовершенствование модели термоскопа не закончилось. Спустя несколько лет шарик опустили вниз прибора, воду заменили этиловым спиртом (так как, при температуре ниже нуля, емкость лопалась), а сам сосуд отсоединили. Такой прибор уже работал по принципу «расширения мер», наиболее высокие и низкие показатели температур (в летний и зимний период, соответственно) брали за точки постоянства.

Интересен тот факт, что создателями первого термометра могли оказаться такие гении мысли, как: Фрэнсис Бэкон, Роберт Фладд или Саломон де Каус. Последний, известен тем, что лично знал Галилея и находился с ним в приятельских отношениях. Придуманные ими термометры были воздушными, а значит, показания термометра зависели от температуры и атмосферного давления.

Коллекция стеклянных ртутных термометров

Температура, как физическая величина

Температура принадлежит к таким физическим величинам, которые не поддаются непосредственному измерению. Поэтому для измерения ее всегда преобразуют в какую-либо другую измеряемую физическую величину.

С этой целью (в зависимости от диапазона измеряемых температур и условий измерения) используют то или иное термометрическое свойство тел, т. е. зависимость от температуры соответствующим образом выбранной физической характеристики тела.

Чаще всего температуру преобразуют в какую-либо электрическую величину. Термоприемник, осуществляющий преобразование температуры в другую физическую величину, иногда называют преобразователем.

Используемые для измерения высоких температур термометрические свойства тел весьма разнообразны. Этому обстоятельству способствует то, что при изменении температуры меняются многие физические свойства тел, что дает широкую возможность выбора термометрических свойств, удобных для использования в определенных условиях. В зависимости от выбранного термометрического свойства используют тот или иной метод измерения высоких температур.

Самые известные температурные шкалы: Фаренгейта, Реомюра, Цельсия, Кельвина.

Абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) является основной температурной шкалой в физике.

До революции 1917 г. в России была принята шкала Реомюра, поэтому термометры Реомюра использовались повсеместно. И лишь в начале 30-х годов прошлого века они были вытеснены термометрами Цельсия.

До середины прошлого века шкала Фаренгейта широко использовалась в англоязычных странах в промышленности, медицине, метеорологии и др. Приоритетной шкала Фаренгейта по-прежнему остается в США.

Термометры Фаренгейта и Цельсия

Ковертер температур в Excel

Простой конвертер температур (Шкалы Цельсия, Реомюра, Кельвина, Фаренгейта, Ренкина) перевод из одной шкалы в другую.

Виды термометров

Сегодня различают следующие виды термометров:

1. Жидкостные

2. Механические

3. Электрические

4. Оптические (пирометры)

Их работа основывается на изменении параметров тела при повышении или понижении температуры. Используют такие термометры в жарких местах.

5. Инфракрасные

Такие термометры измеряют излучение тепла объекта. Такие термометры безопасны в использовании, имеют очень низкую погрешность измерения, температура ими измеряется за доли секунды, и что самое главное – они позволяют собирать данные сразу с нескольких объектов одновременно.

В электрической группе в качестве термометров чаще всего используются:

термометры сопротивления (измерение электрического сопротивления) ;

термопары (термоэлектрический эффект ).

В литературе можно найти подробную классификацию методов и приборов для измерения температур по принципу действия, а также по структурному и функциональному признакам, и классификацию контактных методов и приборов для измерения высоких температур.

Задачи пирометрии

Свое наименование пирометрия получила от греческого слова «Пиро» — огонь. По установившимся современным представлениям под пирометрией понимают область измерительной техники, задачей которой является разработка и внедрение в различные области науки и промышленности методов и приборов для измерения высоких температур.

Область температур, охватываемая понятием «высокие», не имеет четко фиксированных границ. По-видимому, установление таких границ является в значительной степени условным, и в то время как одни авторы считают высокими температуры, превышающие 100° С, другие рассматривают область высоких температур выше 1000° С.

Ввиду невозможности указать какие-либо принципы установления нижней границы этой области, будем оперировать понятием «высокие температуры» в наиболее привычном для заводской практики смысле и считать высокими все значения температур, превышающие 300° С.

Часто к области высоких температур относят примыкающую к ним область «повышенных температур», которую будем условно считать распространяющейся от комнатных температур (примерно 20°С) до 300° С.

Наука начинается там, где начинаются измерения.

Одна из задач пирометрии — создание такого арсенала методов и приборов для измерения высоких температур, которые в своей совокупности смогли бы охватить все разнообразие объектов, условий и режимов измерения.

Вторая задача пирометрии — обеспечение единства измерений высоких температур различными приборами и методами. Только при единстве измерений можно добиться, чтобы разные методы измерения, применяемые на одних и тех же объектах и в тех же условиях, давали одинаковые (в пределах точности методов измерения) числовые значения измеряемых величин температур.

Наконец, третья задача пирометрии — изучение источников погрешностей измерения различными методами на разных объектах и в разных условиях их применения. Сложность и разнообразие условий, в которых осуществляют измерение, часто делает решение этой задачи настолько трудным, что оно становится предметом специальных, широко поставленных исследований.

Таким образом, в широком смысле слова, задача пирометрии состоит не только в изучении методов и приборов для измерения высоких температур, но и в изучении условий их применения с целью оценки и снижения погрешностей измерения, определения достоверности результатов измерений и повышения этой достоверности.

Измерения температуры в промышленности

В настоящее время во многих отраслях промышленности применение высоких температур является неотъемлемой частью технологического процесса и качество продукции в большой степени определяется надежностью результатов измерений или регулирования температур.

Аналогичное положение наблюдается во многих областях научных исследований, где надежность результатов измерений высоких температур — один из факторов, определяющих успех исследований.

Чрезвычайное разнообразие объектов исследования, условий измерения температур в этих объектах, различие требований к диапазону и точности измерения высоких температур — все это исключает возможность создания универсальных методов и приборов.

Важнейшими задачами современного приборостроения и современной измерительной техники являются разработка надежных методов измерения температуры применительно к различным производствам.

Термопары на производстве

Термоэлектрические термометры раньше других термоэлектрических устройств получили промышленное внедрение. Известный французский физик А. Ле-Шателье создал термопару, одна ветвь которой изготавливалась из платины, вторая из платинородиевого сплава. Эти тугоплавкие материалы позволяли использовать термопару для измерения высоких (до 150 о C) температур.

Термопара Ле-Шателье считалась лучшим термоэлектрическим термометром, на ее основе была разработана промышленная технология изготовления термопар, и в конце XIX века несколько германских фирм специализировались на выпуске термоэлектрических приборов для измерения температур.

В стандартной термопаре Ле-Шателье одна из проволочных ветвей помещалась в капиллярную фарфоровую трубку, которая вместе с другой ветвью монтировалась в фарфоровый цилиндрический корпус. В комплект устройства входил один из наиболее точных приборов того времени — гальванометр д’Арсонваля.

Термография

Инфракрасная термография – это наука использования электронно-оптических устройств для регистрации и измерения излучения и сопоставления его с температурой поверхностей

Тепловое излучение – это передача тепла посредством электромагнитных волн. Основное отличие между различными волнами их длина.

Все объекты, обследуемые с помощью тепловизора, испускают энергию в инфракрасной области спектра. По мере того, как объект нагревается, он испускает больше энергии. Очень горячие объекты испускают достаточно энергии, чтобы ее можно было увидеть человеческим глазом.

Тепловизоры чаще всего используются для проверки состояния электрических систем, поскольку они позволяют проводить обследование быстро и без непосредственного контакта.

Тепловизионное обследование высоковольтного электрооборудования должно производиться с безопасного расстояния.

Подробнее про бесконтактные термометры:

Обследование оборудования с помощью тепловизора

Источник

ЛитЛайф

Жанры

Авторы

Книги

Серии

Форум

Каплун С. В.

Книга «Физика»

Оглавление

Читать

Помогите нам сделать Литлайф лучше

Гигантскими фабриками искусственных кристаллов можно считать химические заводы, где производят различные соли, соду, химические удобрения и др.; на фармацевтических заводах синтезируют кристаллические лекарственные вещества; металлургические заводы выплавляют металлы.

Существуют и научно-технические комплексы, где выращивают и исследуют крупные кристаллы, каждый из которых стоит и ценится очень дорого. Одним из признанных лидеров этого направления является, например, научно-производственное объединение «Монокристалл» (Харьков), известное не только в Украине, но и далеко за ее пределами.

Эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся сейчас не только в земных условиях, но и на космических орбитах. Невесомость сделала возможным получение таких чистых веществ, которые до сих пор не удалось создать в земных лабораториях. Например, выращенные в космосе нитевидные кристаллы сапфира характеризуются высокой прочностью: они выдерживают давление, в десятки раз превышающее прочность таких же «земных кристаллов».

Что такое термометр, мы знаем с детства. А известно ли вам, что термометрия – наука об измерениях температуры – составляет целый раздел физики и уходит своими корнями в глубину веков?

Изобретению термометра предшествовало создание термоскопа – прибора, который отмечал снижение или повышение температуры. Первые термоскопы (греч. «терме» – тепло, жар и «скопео» – смотрю) были построены еще до нашей эры в Древней Греции и в Древнем Египте. Работали они просто: при потеплении воздух внутри некоего шара расширялся и вытеснял воду из шара в трубку. По изменению уровня воды и судили об изменении температуры.

Чаще открытием называют ознакомление с новым фактом. Но я считаю, что в открытии главную роль играет идея, связанная с этим фактом. Любое экспериментальное начинание заключается в идее.

Прибор Филона из Византии (примерно II в. до н. э.) представлял собой пустотелый шар со свинцовой трубкой, доходящей до его дна. Второй конец трубки был опущен в открытую емкость. В свинцовый шар наливали воду (до половины) и выставляли на солнце. Воздух расширялся, вытеснял воду из шара, и эта вода через трубку перетекала в открытую емкость. Когда прибор переносили в тень, воздух сжимался, и вода из сосуда снова переходила в шар.

Понятно, что физическое объяснение процессов, происходящих в этом приборе, не соответствовало нашим современным представлениям.

Особого внимания заслуживает опыт Галилея с термоскопом, который он провел примерно в 1597 г. (некоторые историки считают, что это произошло раньше, примерно в 1592 г.).

Термоскоп Галилея был значительно проще по конструкции: это стеклянный шарик с припаянной узкой стеклянной трубочкой.

Опыт был таков. Руками согревали колбу и опускали конец трубки в воду, налитую в открытую емкость. Затем, когда убирали руки с колбы, вода из чаши по мере остывания сосуда начинала подниматься в трубочку. К трубочке прикрепляли шкалу из бусинок, которые размещали произвольно.

Этот термоскоп позволял отслеживать повышение или понижение температуры на качественном уровне. Но так мы говорим сейчас.

Бенедетто Кастелли, который был учеником Галилея, писал в 1638 г.: «Этот эффект вышеупомянутый сеньор Галилей использовал при изготовлении инструмента для определения степени жары и холода».

Ранее никому и в голову не приходила мысль о возможности измерения степени тепла и холода, потому что считали: холод и тепло – это различные свойства, перемешанные в материи.

Кстати, не знакомый с работой Галилея врач Санкториус из Падуанского университета, который в то же время начал измерять температуру человеческого тела, создал термоскоп, очень похожий на термоскоп Галилея.

Для того чтобы превратить термоскоп в термометр, необходимо было продвинуться дальше в изучении тепловых явлений. Выдающийся ученый Р. Бойль (1627–1691) писал о термоскопах: «Эти термоскопы, подверженные влиянию атмосферы, а также тепла и холода, легко могут сбить нас с толку, если мы не будем определять другим прибором вес атмосферы».

Под весом атмосферы здесь подразумевалось атмосферное давление, а «другой прибор» – это барометр, который в 1644 г. изобрел Э. Торричелли (1608–1647). А сам Бойль открыл в 1661 г. зависимость между объемом газа и давлением при постоянной температуре. Таким образом, барометр и закон Бойля позволяли учитывать, как именно изменения давления воздуха влияют на показания термоскопа. (Кстати, во времена Галилея сама идея о том, что воздух может давить на землю, казалась просто дикой!)

Надо было создать термоскоп, которому не нужны поправки, связанные с атмосферным давлением. И он был создан!

Примитивный воздушный термоскоп Галилея ученик Галилея Э. Торричелли преобразовал в жидкостный (спиртовой) термометр. Его конструкция была существенно улучшена Торричелли и членами Флорентийской академии исследований (ее еще называют «Академия экспериментальных исследований») и оказалась настолько удобной для различных применений, что в XVII в. «флорентийские термометры» приобрели известность.

Они представляли собой герметично запаянную трубку, заполненную ртутью или спиртом. Об изменениях температуры свидетельствовало изменение в их уровне.

Эти термометры ввел в практику в Англии Р. Бойль, во Франции они распространились благодаря астроному Бульо (1605–1694), получившему в подарок такой термометр от польского дипломата.

С этих пор показания термоскопов перестали зависеть от атмосферного давления. Опыты с ними стали общим увлечением; ими даже украшали комнаты, потому что они были очень красивыми. Но после флорентийских академиков так искусно изготавливать термометры уже никто не умел.

Чтобы термоскоп стал термометром, следовало научиться выражать его показания в виде числа, то есть изобрести шкалу.

Исследователь Отто фон Герике – магдебургский бургомистр, известный своим интересом к научным исследованиям, – создал собственный термоскоп, который можно считать предшественником термометра.

Этот термометр состоял из медного шара с U-образной трубкой, в которую был налит спирт. На поверхности спирта в открытом колене плавал поплавок, а от него шла нить, перекинутая через блок. На конце нити была подвешена фигурка ангела, держащего в руке палочку, которой он показывал на деления шкалы, нарисованной на стене дома. Шар был окрашен в голубой цвет, на нем были нарисованы звезды и выведена гордая надпись «Perpetuum mobile» («вечный двигатель»).

За ноль Герике выбрал температуру… того осеннего дня 1660 г., когда были первые заморозки в городе Магдебурге!

Термометр Герике имел тот же недостаток, что и термометр Галилея, и назовем его термоскопом, потому что показания на нем зависели от атмосферного давления. Но попытка создать шкалу достойна внимания потомков!

Известно, что в 1701 г. И. Ньютон опубликовал работу «О шкале степеней тепла и холода», в которой была описана двенадцатиградусная шкала. Ноль он поместил там, где находится точка замерзания воды, а 12 градусов соответствовали температуре здорового человека. Важно, что Ньютон достаточно четко говорил о температурной шкале.

Усовершенствовал конструкцию термометра немец Габриэль Даниэль Фаренгейт (1686–1736), использовавший идею Олафа Ремера. Фаренгейт изготовлял ртутные и спиртовые термометры такой формы, какие применяются и сейчас. Успех его термометров объясняется тем, что он ввел новый метод очистки ртути, кроме того, перед запайкой он кипятил жидкость в трубке.

Источник